Контактное взаимодействие когтевой шайбы с древесиной от предельного сдвига

УДК

624.011.2+674.028.3/9

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-4-178-189

Аннотация

При проектировании, изготовлении и эксплуатации изделий из древесины и элементов деревянных конструкций необходимо решение проблемы обеспечения расчетной прочности, жесткости и их несущей способности, что актуально при реконструкции и в новом деревянном домостроении, так как от правильного выбора вида соединения зависит техническая возможность использования древесины в элементах конструкций. Для этого применяют различные типы специальных соединителей в виде когтевых шайб, кольцевых шпонок, нагельных групп и др. Существующий сортамент когтевых шайб подразумевает различные диаметры, толщины и конфигурацию когтей в зависимости от требуемой несущей способности и размеров сечений пиломатериалов. Принятая модель древесины − транстропное тело. Усилия, передающиеся в соединениях элементов деревянных конструкций, воспринимаются суммарной контактной поверхностью сопряженных элементов. Однако работа отдельных зубьев когтевых шайб изучена недостаточно: отсутствуют исследования влияния геометрических характеристик зуба на несущую способность коннектора, не оценивается изменение толщины соединителя и др. В качестве объекта исследования принят прототип − двухсторонняя когтевая шайба типа «Bulldog» диаметром 50 мм. Рассмотрены различные схемы раскроя шайбы, в которой предопределены размеры (ширина и высота) зуба треугольной формы. Оценивается влияние на несущую способность толщины шайбы (заготовки) в пределах 1,0…1,5 мм. Основным критерием выбранных схем раскроя является возможность изготовления шайб одноударной штамповкой без дополнительной подрезки. Исследовано 5 вариантов двухсторонних когтевых шайб с количеством зубьев 8–12 шт. с каждой стороны. В качестве математической модели работы зуба принято дифференциальное уравнение 4-го порядка, описывающее поведение нагеля на упругом основании с постоянным значением изгибной жесткости EI, переход к которому осуществлялся от переменного значения EI = f(x) путем поиска эквивалентной ширины сечения из условия изгиба элемента треугольного сечения при помощи переменной, направленной нормально к фронтальной поверхности, и постоянной, направленной нормально к боковой поверхности.

Сведения об авторах

Е.В. Попов¹, канд. техн. наук; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8950-7558
А.В. Русланова¹, соискатель; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0298-9129
В.В. Сопилов¹, аспирант; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1236-5950
Н. Ждралович², гл. инж., координатор проектов;
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0997-5130
Ш.М. Мамедов³, канд. экон. наук, доц.; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0366-1085
Б.В. Лабудин¹, д-р техн. наук, проф.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2547-3096
¹Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 22, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: EPV1989@yandex.ru, kalipso64@gmail.com, sopilov.v@edu.narfu.ru, sevned@mail.ru
²Правление губернии Финмарк, Государственный дом, г. Вадсё, Округ Тромс и Финнмарк, Норвегия, 9811; e-mail: fmfinzd@fylkesmannen.no
³Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, Санкт-Петербург, Россия, 190005; e-mail: mamedov_am@bk.ru

Ключевые слова

древесина, деревянные конструкции, анизотропия древесины, прочность, деформативность, когтевые шайбы, зубчатые шпонки

Для цитирования

Popov E.V., Ruslanova A.V., Sopilov V.V., Zdralovic N., Mamedov S.M., Labudin B.V. Contact Interaction of a Claw Washer with Wood at Limiting Shear // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 4. С. 178–189. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-4-178-189

Литература

1. А. с. 26424, МПК E04B 1/49. Приспособление для соединения деревянных частей в конструкциях: заявл. 18.03.1931; опубл. 31.05.1932 / Кабаков Н.П. [Kabakov N.P. A Device for Connecting Wooden Parts in Structures. Certificate of Authorship USSR no. SU 26424 A1, 1932].
2. А. с. 29009, МПК E04B 1/49. Шпонка из листового металла для деревянных конструкций: заявл. 05.05.1931; опубл. 31.01.1933 / Хорьков М.М. [Khor’kov M.M. Sheet Metal Dowel for Wooden Structures. Certificate of Authorship USSR no. SU 29009 A1, 1933].
3. А. с. 1807185, МКИ Е04В 1/38. Узловое соединение стержней деревянных несущих конструкций: № 4930924/33: заявл. 23.04.91; опубл. 07.04.93 / Б.В. Лабудин, В.Д. Попов, В.В. Яковлев, А.В. Вешняков. [Labudin B.V., Popov V.D., Yakovlev V.V., Veshnyakov A.V. Nodal Connection of the Rods of Wooden Supporting Structures. Certificate of Authorship USSR no. SU 1807185 A1, 1993].
4. Агафонов С.А, Герман А.Д., Муратова Т.В. Дифференциальные уравнения / под ред. В.С. Зарубина, А.П. Крищенко. 3-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 352 с. [Agafonov S.A., German A.D., Muratova T.V. Differential Equations. Ed. by V.S. Zarubina, A.P. Krishchenko. Moscow, MSTU Publ., 2004. 352 p.].
5. Ашкенази Е.К., Ганов Э.В. Анизотропия конструкционных материалов: справ. Л.: Машиностроение, 1980. 247 с. [Ashkenazi E.K., Ganov E.V. Anisotropy of Structural Materials: Handbook. Leningrad, Mashinostroyeniye Publ., 1980. 247 p.].
6. Вдовин В.М., Мухаев А.И., Арискин М.В. К оценке напряженно-деформированного состояния деревянных элементов, соединенных центровыми вклеенными шпонками // Региональная архитектура и строительство. 2013. № 2. С. 81–90. [Vdovin V.M., Muhaev A.I., Ariskin M.V. To the Estimation of Stress-Strain State of Wooden Elements Connected by Pivot Glued Dowels. Regional’naya arkhitektura i stroitel’stvo [Regional Architecture and Engineering], 2013, no. 2, pp. 81–90].
7. Галахов М.С. Соединения деревянных конструкций на вклеенных кольцевых шпонках: дис. ... канд. техн. наук. Пенза, 2002. 176 с. [Galakhov M.S. Connections of Wooden Structures on Glued Shearing Rings: Cand. Eng. Sci. Diss. Penza, 2002. 176 p.].
8. Данилов Е.В., Черных А.Г. Методы исследования соединений деревянных конструкций на когтевых шпонках // Науч. обозрение. Техн. науки. 2014. № 1. С. 133-134. [Danilov E.V., Chernykh A.G. Methods of Joinery Timber Construction with the Claw Dowels. Nauchnoye obozreniye. Tekhnicheskiye nauki [Scientific Review. Technical science], 2014, no. 1, pp. 133-134].
9. Дмитриев П.А. Экспериментальные исследования соединений элементов деревянных конструкций на металлических и пластмассовых нагелях и теория их расчета с учетом упруго-вязких и пластических деформаций: дис. ... д-ра техн. наук. Новосибирск, 1975. 529 с. [Dmitriyev P.A. Experimental Studies of Connections of Elements of Wooden Structures on Metal and Plastic Dowels and the Theory of Their Calculation Allowing for Visco-Elastic and Plastic Deformations: Dr. Eng. Sci. Diss. Novosibirsk, 1975. 529 p.].
10. Ишмаева Д.С. Жесткие узловые соединения на вклеенных стальных шайбах в балочных структурах из клееных деревянных элементов: дис. ... канд. техн. наук. Пенза, 2014. 171 с. [Ishmayeva D.S. Rigid Joint Connections on Glued Steel Washers in Beam Structures of Glued Wooden Elements: Cand. Eng. Sci. Diss. Penza, 2014. 171 p.]
11. Карельский А.В., Лабудин Б.В., Мелехов В.И. Испытание на сдвиг элементов деревянных конструкций, соединенных металлическими зубчатыми пластинами // Строительство и реконструкция. 2015. № 1(57). С. 11–16. [Karelskiy A., Labudin B., Melehov V. Shear Test Elements of Wooden Structures, United Punched Metal Plate Fasteners. Stroitel’stvo i rekonstruktsiya [Building and reconstruction], 2015, no. 1(57), pp. 11–16].
12. Крицин А.В. Расчет сквозных деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах с учетом упруго-вязких и пластических деформаций: дис. ... канд. техн. наук. Н. Новгород, 2004. 180 с. [Kritsin A.V. Calculation of Open Wooden Structures on Metal Connector Plates Allowing for Visco-Elastic and Plastic Deformations: Cand. Eng. Sci. Nizhny Novgorod, 2004. 180 p.].
13. Кузнецов Г.Ф. Деревянные конструкции. Справочник проектировщика промышленных сооружений. М.; Л.: Гл. редакция строит. лит., 1937. 955 с. [Kuznetsov G.F. Wooden Structures. Handbook for the Designers of Industrial Facilities. Moscow, Glavnaya redaktsiya stroitel’noy literatury Publ., 1937. 955 p.].
14. Лабудин Б.В. Совершенствование клееных деревянных конструкций с пространственно-регулярной структурой. Архангельск: АГТУ, 2007. 267 с. [Labudin B.V. Improving Laminated Wood Structures with a Spatially Regular Structure. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2007. 267 p.].
15. Леннов В.Г. Штампованные когтевые шайбы, как новый тип связей элементов деревянных конструкций // Тр. Горьк. инж.-строит. ин-та. Горький, 1949. Вып. 1. С. 169–181. [Lennov V.G. Stamped Claw Washers as a New Type of Connection of Wooden Structures Elements. Proceedings of the Gorkovkiy Engineering and Construction Institute. Gorky, 1949, iss. 1, pp. 169–181].
16. Попов Е.В., Лабудин Б.В., Мелехов В.И. Испытание на сдвиг элементов деревянных конструкций, соединенных с применением зубчатых шайб «Bulldog» // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения: материалы  Междунар. акад. чтений. Курск: Курск. гос. ун-т, 2015. С. 189-198. [Popov E.V., Labudin B.V., Melekhov V.I. Shear Test of Elements of Wooden Structures Connected with the Use of Toothed Bulldog Washers. Safety of the Building Fund of Russia. Problems and Solutions: Proceedings of the International Academic Readings. Kursk, Kursk State University Publ., 2015, pp. 189-198].
17. Попов Е.В., Филиппов В.В., Мелехов В.И., Лабудин Б.В., Тюрикова Т.В. Влияние жесткости связей сдвига при расчете ребристых панелей на деревянном каркасе // Изв. вузов. Лесн. журн. 2016. № 4. С. 123–134. [Popov E.V., Filippov V.A., Melekhov V.I., Labudin B.V., Tyurikova T.V. Effect of Shear Connections Rigidity in Calculating the Ribbed Panels. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2016, no. 4, pp. 123-134]. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.4.136, URL: http://lesnoizhurnal.ru/ upload/iblock/101/popov_ispr._.pdf
18. Римшин В.И., Лабудин Б.В., Мелехов В.И., Попов Е.В., Рощина С.И. Соединения элементов деревянных конструкций на шпонках и шайбах // Вестн. МГСУ. 2016. № 9. С. 35-50. [Rimshin V.I., Labudin B.V., Melekhov V.I., Popov E.V., Roshchina S.I. Dowel and Washer Connections for Elements of Wooden Structures. Vestnik MGSU, 2016, no. 9, pp. 35-50]. DOI: 10.22227/1997-0935.2016.9.35-50
19. СП 64.13330.2017. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25–80 (с Изменениями № 1, 2). Введ. 28–08–2017 // Техэксперт: электронный фонд правовой и нормативно-технической документации. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/456082589 (дата обращения: 15.11.19). [Code of Practice SP 64.13330.2017. Timber Structures. Tekhekspert: Electronic Fund of Legal and Regulatory Technical Documentation, 2017].
20. СтАДД-3.2-2011. Деревянные конструкции. Соединения деревянных элементов с использованием зубчатых пластин. СПб.: НП «Ассоциация деревянного домостроения», 2012. 40 с. [Association Standard of Wooden House Construction StADD–3.2–2011. Wooden Structures. Joining Wooden Elements Using Connector Plates. Saint Petersburg, Assotsiatsiya derevyannogo domostroyeniya Publ., 2012. 40 p.].
21. Сюй Юнь, Черных А.Г., Глухих В.Н. Моделирование и расчет несущей способности односрезного шурупа на металлической накладке с использованием металлической зубчатой пластины // Строительная механика и расчет сооружений. 2015. № 4(261). С. 17-23. [Xu Yun, Chernykh A.G., Glukhikh V.N. Modeling and Calculation of the Shear Bearing Capacity of Screw on the Metal Plate with Nail Plate. Stroitel’naya mekhanika i raschet sooruzheniy [Structural Mechanics and Analysis of Constructions], 2015, no. 4(261), pp. 17-23].
22. Blaß H.J., Schädle P. Ductility Aspects of Reinforced and Non-Reinforced Timber Joints. Engineering Structures, 2011, vol. 33, iss. 11, pp. 3018–3026. DOI: 10.1016/j.engstruct.2011.02.001
23. Čechavičius R. Slip of “Bulldog”-Type Toothed-Plate Connectors in SteelTimber Joints of Open-Web Girders. Journal of Civil Engineering and Management, 2004, vol. X, suppl. 1, pp. 23–29.
24. Karadelis J.N., Brown P. Punched Metal Plate Timber Fasteners under Fatigue Loading. Construction and Building Materials, 2000, vol. 14, iss. 2, pp. 99–108. DOI: 10.1016/S0950-0618(00)00015-5
25. Meghlat E.-M., Oudjene M., Ait-Aider H. Load-Slip Behaviour of Timber-toConcrete Connections Reinforced with Punched Metal Plate. Proceedings of the World Conference on Timber Engineering (WCTE 2014), Quebec City, Canada, August 10–14, 2014. Quebec, Canada, Curran Associates, Inc., 2014, pp. 813–821.
26. Product Catalog of the Company Bova Březnice spol. sro. Available at: http://bova-nail.cz/kategorie-produktu/kovani-drevene-konstrukce/hmozdinky/ (accessed 15.11.19).
27. Rimshin V., Labudin B., Morozov V., Orlov A., Kazarian A., Kazaryan V. Calculation of Shear Stability of Conjugation of the Main Pillars with the Foundation in Wooden Frame Buildings. International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies EMMFT 2018. Cham, Switzerland, Springer, 2019, vol. 2, pp. 867–876. DOI: 10.1007/978-3-030-19868-8_85
28. Rimshin V.I., Labudin B.V., Melekhov V.I., Orlov A.O., Kurbatov V.L. Improvement of Strength and Stiffness of Components of Main Struts with Foundation in Wooden Frame Buildings. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2018, vol. 13, no. 11, pp. 3851−3856.

CONTACT INTERACTION OF A CLAW WASHER WITH WOOD AT LIMITING SHEAR

E.V. Popov¹, Candidate of Engineering; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8950-7558
A.V. Ruslanova¹, External PhD Student; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0298-9129
V.V. Sopilov¹, Postgraduate Student; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1236-5950
N. Zdralovic², Chief Engineer, Coordinator of Projects;
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0997-5130
S.M. Mamedov³, Candidate of Economics, Assoc. Prof.;
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0366-1085
B.V. Labudin¹, Doctor of Engineering, Prof.;
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2547-3096
¹Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 22, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: EPV1989@yandex.ru, sopilov.v@edu.narfu.ru, kalipso64@gmail.com, sevned@mail.ru
²Fylkesmannen i Troms og Finnmark, Statens hus, Vadsø, Troms og Finnmark County, 9811, Norway; e-mail: fmfinzd@fylkesmannen.no
³Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, ul. 2-ya Krasnoarmeyskaya, 4, Saint Petersburg, 190005, Russian Federation; e-mail: mamedov_am@bk.ru

When designing, manufacturing and maintaining of woodworks and elements of wooden structures it is necessary to solve the problem of providing the calculation of strength, stiffness and their bearing capacity. This problem becomes particularly relevant while reconstructing and new wooden house building, as the correct choice of connection type influences the technical possibility to use wood in the elements of structures. Such types of special connectors as claw washers, gang nails, dowel connections, etc. are used for these purposes. The existing range of claw washers implies different diameters, thicknesses, and claw configurations depending on the required bearing capacity and cross-sectional dimensions of sawn timber. The accepted physical model of wood is a transtropic body. The forces transmitted in the joints of the elements of wooden structures are perceived by the total contact surface of the mating elements. However, the work of individual teeth of claw washers has been poorly studied: research on influence of geometrical characteristics of the tooth on the bearing capacity of the connector is absent; variation in thickness of the connector is not assessed. A double-sided claw washer of the Bulldog type (prototype) with the diameter of 50 mm was adopted as the object of study. Various schemes of cutting of the claw washer with predetermined dimensions (width and height) of a triangular tooth are considered. The influence of dimensions on the bearing capacity of the thickness of claw washers is estimated within 1–1.5 mm. The main criterion for the selected cutting patterns is the ability to produce the washers by single-impact stamping without additional trimming. Double-sided claw washers of 5 different types with the number of cog-teeth from 8 to 12 items on each side were studied. A differential equation of the 4th order is accepted as a mathematical model of cog-tooth action. The equation describes the behavior of a dowel on an elastic base with a fixed value of bending stiffness EI. The transition to which was carried out from the variable value EI = f(x) by searching for the equivalent width of the cross-section from the bending conditions of the element of the triangular section of a variable directed normal to the frontal surface and a constant directed normal to the lateral surface.
For citation: Popov E.V., Ruslanova A.V., Sopilov V.V., Zdralovic N., Mamedov S.M., Labudin B.V. Contact Interaction of a Claw Washer with Wood at Limiting Shear. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 4, pp. 178–189. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-4-178-189

Keywords: wood, wooden structures, anisotropy of wood, strength, deformability, claw washers, gang nails.

Поступила 15.11.19 / Received on November 15, 2019